Номер части:
Журнал

НОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ МОДЫ ОАМ ФОТОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ



Науки и перечень статей вошедших в журнал:


DOI:
Дата публикации статьи в журнале:
Название журнала: Евразийский Союз Ученых, Выпуск: , Том: , Страницы в выпуске: -
Автор:
, ,
Автор:
, ,
Автор:
, ,
Анотация:
Ключевые слова:                     
Данные для цитирования: . НОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ МОДЫ ОАМ ФОТОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ // Евразийский Союз Ученых. Технические науки. ; ():-.





В    наше   время   для   реализации   оптической    связи   между       разнообразными объектами, в ряде случаев, необходимы комбинированные оптические  системы (КОТС). Они могут  содержать  [1-3]     несколько   сегментов      волоконно-оптических линий   связи   (ВОЛС)    и атмосферных открытых линий связи (АОЛС).

Относительную   устойчивость  оптического телекоммуникационного   канала,   можно   повысить на  основе   метода  коррекции   фазы    (МКФ), при использовании орбитальных угловых моментов фотонов (ОАМ) [1, 2]. Среди методов создания ОАМ  можно выделить несколько наиболее эффективных.

В МКФ с ОАМ используется поток фотонов с определенной модой углового орбитального момента, в приемном модуле выбираются   фотоны   с   соответствующей   модой   ОАМ,   что  позволяет   реализовать корректировку системы телекоммуникации. Для реализации  методики  с использованием мод ОАМ могут  применяться несколько вариантов  схем.   Например,   в   работе [2]   в   схеме   формирования   лазерного пучка используются отражательные голограммы или дифракционные решетки на входе и выходе оптической системы.

На  рис. 1  (черный  цвет — экспериментальные  данные, белый – расчетные)  наглядно представлен вариант зависимости интенсивности пучка от распределения мод ОАМ  (параметр  l). Например,  видно (рис. 1), что  при  θ = 0,6 (θ – нормированный угловой  сектор  полной  расходимости   лазерного  пучка)   контраст   между   первыми ближайшими модами  ОАМ превышает 0,9,

при  θ  = 0,8,   этот контраст оказывается порядка 0,3.  При  еще больших значениях θ  = 1,0,  значимый  контраст реализуется  для  отдельных мод:  -1, – 0  и  2, — 3.

Наряду с этим,  рассматриваются варианты выбора ОАМ с использованием внутренней конической дифракции. Находит так же применение магнитооптический эффект для настройки ОАМ  потока  фотонов.

НОВАЦИОННЫЕ  МЕТОДЫ  ГЕНЕРАЦИИ   МОДЫ  ОАМ   ФОТОНОВ  ДЛЯ  ОПТИЧЕСКИХ  ЛИНИЙ  СВЯЗИ

Рисунок 1.  Пример  распределения  потоков  фотонов  с  модами  УОМ

Электрический   контроль    ОАМ   при   фокусировке лазерного пучка  на  безосный  кристалл  предложен  в работе [4]. В методе электроконтроля  состояний УОМ используют   четвертьволновые пластины и одноосный кристалл стронций-барий-ниобат (СБН), к которому прикладывается электрическое напряжение E* [4]. Возможности метода  хорошо иллюстрирует рис. 2, на котором приведена  зависимость   состояний  ОАМ, от приложенного напряжения на кристалл СБН, при размере сфокусированного Бессель — Гауссового   пучка    w0   =  10 мкм. Из  рис. 2 видно, что в рассматриваемой оптической системе могут формироваться разные состояния ОАМ: от 0 до 1,8  при изменении напряжения  Е0  в диапазоне:  -1,6883  —  + 4 кВ/мм.

В одном из методов генерации  выбранных состояний  ОАМ, используют нелинейное кольцевое кварцевое волокно и параметрическую конверсию «вниз»  [5]. При создании  термической  нелинейности в  кольцевом волокне с длиной  ~  1 м, реализована  высокая квантовая эффективность процесса.

В работе [6] приведены результаты многомодовой  интерференции между Гауссовым пучком и пучком  с модами ОАМ различного порядка в диэлектрическом квадратном  волноводе. При    многомодовой  интерференции  в волноводе   реализуется эффект самоизображения  выбранных мод.   В некотором входном сечении волновода поле моды можно представить в виде:   f0 (x, y) = fs (x) fA (y) – симметричная вдоль горизонтальной оси и антисимметрична по вертикальной оси;  а для поля четной моды:   fе (x, y) = fs (у) fA (х)  эти направления симметрии изменяются.

НОВАЦИОННЫЕ  МЕТОДЫ  ГЕНЕРАЦИИ   МОДЫ  ОАМ   ФОТОНОВ  ДЛЯ  ОПТИЧЕСКИХ  ЛИНИЙ  СВЯЗИ

Рисунок 2.  Зависимость   состояний  ОАМ от  E*    

После прохождения вдоль (по горизонтальной оси) волновода расстояния  L=3Lc /2  от входного сечения волновода, при условии многомодовой интерференции, распределения полей мод изменяются и принимают следующий вид:

        fA1/3(x, 3Lc/2)=(1/C)[fA1/3(x)exp(jπ/2)+fA1/3(W-x)],                            (1)

                  fs1/3(x, 3Lc/2)=(1/C)[fs1/3(x)exp(jπ/2)+fs1/3(W-x)exp(jπ)]                     (2)

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что фазы сигналов значительно отличаются. Т.е. на расстоянии      L=3Lc /2      от входного сечения волновода установились выбранные моды ОАМ.   При этом в этом методе, вариации длины волновода позволяют реализовывать в выходном сечении выбранные моды ОАМ.

В работе [7] предложено использовать субволновые решетки на основе диэлектрических структур в виде массива нано – волосков. Они позволяют успешно генерировать ОАМ состояния на длине волны λ0 = 1.55 мкм с высокой эффективностью дифракции. На рис. 3 (а) показан выходной вихревой луч топологического заряда   m = + 1, сгенерированный в массиве нано – волосков. На вход массива, перпендикулярно его подложке, поступает  Гауссов пучок с обычным пространственным распределением интенсивности. На этом же рис. 3, показаны профили интенсивности в дальней зоне  и фазы вихревого пучка. Вектор Пойнтинга, генерируемого пучка,  обертывается вокруг оси распространения,  создавая спиральную волну с нулем интенсивности в центре.

НОВАЦИОННЫЕ  МЕТОДЫ  ГЕНЕРАЦИИ   МОДЫ  ОАМ   ФОТОНОВ  ДЛЯ  ОПТИЧЕСКИХ  ЛИНИЙ  СВЯЗИ

Рисунок 3. а) Вихревой луч топологического заряда m = + 1; (б) “бублик” — образный профиль интенсивности, (с) фазовый профиль луча, сгенерированного в  нано-волосковой  структуре

Применение массива нано-волосков для формирования оптического элемента при транспортировке  цилиндрического пучка был предложено в [8]. Для изготовления этих вихревых элементов, использовались способы конформного осаждения оксидов металлов и травления для достижения высокой плотности решеток в кварце.

Фаза передаваемого  луча, проходящего через нано-структуру волосков, зависит от их ширины и пространственной плотности. Причем фаза модулируется в двух разных областях этой структуры (выше и ниже подложки), обеспечивая тем самым дополнительную степень свободы в реализации  [8, 9].  Кроме того, была создана градуированная система показателя преломления в пределах каждого нано-волоска субмикронных размеров, что способствует ослаблению требований на геометрические соотношения элементов устройства и одновременно обеспечивает высокую эффективность передачи.

Таким образом, в  рассмотренных методах могут быть реализованы различные состояния ОАМ для многообразных оптических комбинированных линий телекоммуникаций. Можно отметить, что относительная устойчивость  телекоммуникационного канала, содержащего сегменты ВОЛС и АОЛС, связанная с дисперсией флуктуации интенсивности на оси лазерного пучка в турбулентной атмосфере, возрастает при использовании методов коррекции.

Проведенный анализ показал, что  метод  коррекции   фазы    (МКФ), при использовании  орбитальных угловых моментов фотонов (ОАМ) в схеме с отражательными дифракционными решетками,  имеет  определенные преимущества. Этот вывод подтверждается так же недавними экспериментами работы [10], в которой была реализована устойчивая оптическая связь с использованием ОАМ состояний потока фотонов на  расстоянии свыше  3 км  в г. Вена.

Список литературы:

  1. Sanchez D.J., Oesch D.W. // Optics Express. — 2011. — v. 19. — Is. 25. — p. 25388-25396.
  1. Gibson G., Courtial J., Padgett M. et al. // Optics Express. — 2004. — v. 12, — Is. 22. — p. 5448 – 5456.
  1. Кузяков Б.А., Тихонов Р.В. // Труды III-й Всероссийской конференции  по фотонике  и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ. 2014, с. 23 — 24.
  1. Zhu Cr. W., She W. // Optics Express. — 2012. — V. 20, — Is. 23. — p. 25876 — 25883.
  1. Javurek D., Svozilik J., Perina Jr. J. // Optics Express. — 2014. — v. 22. -No. 19. — p. 23743 – 23748.
  1. Ma Z., Chen H., Wu K., Zhang Y., Chen Y., Yu S. // Optics Express. — 2015. — v. 23. — No. 4. — p. 5014-5026.
  2. Srimathi I.R., Li Y.,  Delaney W.F.,  Johnson E.G. Subwavelength grating based metal-oxide nano-hair structures for optical vortex generation. // Opt. Express. – 2015. — v. 23, — N.15. — p. 19056 — 19065.
  1. Srimathi I.R., Pung A.J., Li Y.,  Rumpf R.C., Johnson E.G. Fabrication of metal-oxide nano-hairs for effective index optical elements. //Opt. Express. — 2013. – 21. – No.16.  –  p.  18733 – 18741.
  2. Kleemann B.H., Seesselberg M.,  Ruoff J. Design concepts for broadband high-efficiency DOEs. // J. Eur. Opt. Soc. – 2008. – v. 3. — p. 08015.
  1. Krenn  M., Fickler R.,  Fink M.,  Handsteiner J., Malik M., Scheidl T.,  Ursin R. A.Z., arXiv:1402.2602;   Ученые впервые осуществили передачу информации на большое расстояние при помощи «закрученного» света. //Лазер — Информ. – 2014. — № 22 (541). — с. 12.[schema type=»book» name=»НОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ МОДЫ ОАМ ФОТОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ» description=»В работе рассматриваются методы реализации разнообразных состояний орбитальных угловых моментов (ОАМ) фотонов. В методе коррекции фазы (МКФ) с ОАМ используется поток фотонов с определенной модой углового орбитального момента, в приемном модуле выбираются фотоны с соответствующей модой ОАМ, что позволяет реализовать корректировку системы телекоммуникации. Методика с использованием одноосного кристалла, к которому прикладывается электрическое напряжение, позволяет создавать и выделять несколько состояний ОАМ. Приведен так же метод использования субволновой решетки на основе диэлектрических структур в виде массива нано – волосков. Проведен анализ нескольких методов реализации состояний ОАМ фотонов. Показано, что метод МКФ, при использовании ОАМ, имеет определенные преимущества.» author=»Кузяков Борис Алексеевич, Тихонов Роман Валерьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-21″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)» ebook=»yes» ]
Список литературы:


Записи созданы 6778

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх